人教版高中物理全套教案和导学案第十一章 学案53 热力学定律与能量守恒定律.docx

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人教版高中物理全套教案和导学案第十一章学案53热力学定律与能量守恒定律

学案53热力学定律与能量守恒定律

一、概念规律题组

1．一个气泡从恒温水槽的底部缓慢向上浮起，（若不计气泡内空气分子势能的变化）则（　　）

A．气泡对外做功，内能不变，同时放热

B．气泡对外做功，内能不变，同时吸热

C．气泡内能减少，同时放热

D．气泡内能不变，不吸热也不放热

2．一定质量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105J，则下列各式中正确的是（　　）

A．W＝8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝4×104J

B．W＝8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－2×105J

C．W＝－8×104J，ΔU＝1.2×105J，Q＝2×104J

D．W＝－8×104J，ΔU＝－1.2×105J，Q＝－4×104J

3．下列说法中正确的是（　　）

A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性

B．一切不违反能量转化和守恒定律的物理过程都是可能实现的

C．由热力学第二定律可以判断物理过程能否自发进行

D．一切物理过程都不可能自发地进行

4．对于一定质量的气体（　　）

A．吸热时其内能可以不变

B．吸热时其内能一定不变

C．不吸热也不放热时其内能可以减小

D．不吸热也不放热时其内能一定不变

二、思想方法题组

5．下列过程中，可能发生的是（　　）

A．某种物质从高温热源吸收20kJ的热量，全部转化为机械能，而没有产生其他任何影响

B．打开一高压密闭容器，其内气体自发溢出后又自发溢进去，恢复原状

C．利用其他手段，使低温物体温度更低，高温物体的温度更高

D．将两瓶不同液体混合，然后它们又自发地各自分开

图1

6．如图1所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时（　　）

A．氢气的温度不变B．氢气的压强减小

C．氢气的体积增大D．氧气的温度升高

一、热力学第一定律的理解及应用

1．热力学第一定律不仅反映了做功和热传递这两种方式改变内能的过程是等效的，而且给出了内能的变化量和做功与热传递之间的定量关系．此定律是标量式，应用时热量的单位应统一为国际单位制中的焦耳．

2．对公式ΔU＝Q＋W符的规定

符

W

Q

ΔU

＋

外界对物体做功

物体吸收热量

内能增加

－

物体对外界做功

物体放出热量

内能减少

3.几种特殊情况

（1）若过程是绝热的，则Q＝0，W＝ΔU，外界对物体做的功等于物体内能的增加．

（2）若过程中不做功，即W＝0，则Q＝ΔU，物体吸收的热量等于物体内能的增加．

（3）若过程的始末状态物体的内能不变，即ΔU＝0，则W＋Q＝0或W＝－Q.外界对物体做的功等于物体放出的热量．

特别提示

1．应用热力学第一定律时要明确研究的对象是哪个物体或者是哪个热力学系统．

2．应用热力学第一定律计算时，要依照符法则代入数据．对结果的正、负也同样依照规则来解释其意义．

【例1】一定质量的气体，在从一个状态变化到另一个状态的过程中，吸收热量280J，并对外做功120J．试问：

（1）这些气体的内能发生了怎样的变化？

（2）如果这些气体又返回原来的状态，并放出了240J热量，那么在返回的过程中是气体对外界做功，还是外界对气体做功？

做功多少？

[规范思维]

[针对训练]　（2011·福建·28

（2））一定量的理想气体在某一过程中，从外界吸收热量2.5×104J，气体对外界做功1.0×104J，则该理想气体的________．（填选项前的字母）

A．温度降低，密度增大B．温度降低，密度减小

C．温度升高，密度增大D．温度升高，密度减小

二、对热力学第二定律的理解及应用

1．在热力学第二定律的表述中，“自发地”、“不产生其他影响”的涵义．

（1）“自发地”指明了热传递等热力学宏观现象的方向性，不需要借助外界提供能量的帮助．

（2）“不产生其他影响”的涵义是发生的热力学宏观过程只在本系统内完成，对周围环境不产生热力学方面的影响．如吸热、放热、做功等．

2．热力学第二定律的实质

热力学第二定律的每一种表述，都揭示了大量分子参与宏观过程的方向性，进而使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性．

3．热力学过程方向性实例：

特别提示

热量不可能自发地从低温物体传到高温物体，但在有外界影响的条件下，热量可以从低温物体传到高温物体，如电冰箱；在引起其他变化的条件下内能可以转化为机械能，如气体的等温膨胀过程．

【例2】图2为电冰箱的工作原理示意图．压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环．在蒸发器中制冷剂汽化吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外．

图2

（1）下列说法正确的是（　　）

A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外

B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能

C．电冰箱的工作原理不违反热力学第一定律

D．电冰箱的工作原理违反热力学第一定律

（2）电冰箱的制冷系统从冰箱内吸收的热量与释放到外界的热量相比，有怎样的关系？

[规范思维]

三、热力学定律与气体实验定律的综合

当气体的状态发生变化时，如温度变化、体积变化时，理想气体的内能要发生变化，同时伴随着做功，所以气体实验定律常与热力学第一定律相结合解题，要掌握几个过程的特点：

（1）等温过程：

内能不变，ΔU＝0；

（2）等容过程：

W＝0；（3）绝热过程：

Q＝0.

【例3】（2009·山东高考）一定质量的理想气体由状态A经状态B变为状态C，其中A→B过程为等压变化，B→C过程为等容变化．已知VA＝0.3m3，TA＝TC＝300K，TB＝400K.

（1）求气体在状态B时的体积．

（2）说明B→C过程压强变化的微观原因．

（3）设A→B过程气体吸收热量为Q1，B→C过程气体放出热量为Q2，比较Q1、Q2的大小并说明原因．

[思路点拨]　

（1）A→B过程等压，利用盖—吕萨克定律分析；

（2）从微观上影响压强的两个因素入手，进行分析；

（3）利用热力学定律分析．

[规范思维]

【基础演练】

1．（2011·广东·14）图3为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中（　　）

图3

A．外界对气体做功，气体内能增大

B．外界对气体做功，气体内能减小

C．气体对外界做功，气体内能增大

D．气体对外界做功，气体内能减小

2．热机是一种把内能转化为机械能的装置，以内燃机为例，汽缸中的气体得到燃料燃烧时产生的热量Q1，推动活塞做功W，然后排出废气．同时把热量Q2散发到大气中，则下列说法正确的是（　　）

A．由能量守恒定律知Q1＝W＋Q2

B．该热机的效率为η＝

C．理想热机效率可达到100%

D．内能可以全部转化为机械能而不引起其他变化

图4

3．已知理想气体的内能与温度成正比，如图4所示的实线为汽缸内一定质量的理想气体由状态1到状态2的变化曲线，则在整个过程中汽缸内气体的内能（　　）

A．先增大后减小

B．先减小后增大

C．单调变化

D．保持不变

4．（2010·福建卷）如图5所示，

图5

一定质量的理想气体密封在绝热（即与外界不发生热交换）容器中，容器内装有一可以活动的绝热活塞．今对活塞施以一竖直向下的压力F，使活塞缓慢向下移动一段距离后，气体的体积减小．若忽略活塞与容器壁间的摩擦力，则被密封的气体（　　）

A．温度升高，压强增大，内能减少

B．温度降低，压强增大，内能减少

C．温度升高，压强增大，内能增加

D．温度降低，压强减小，内能增加

5.

图6

（2011·江苏·12A

（1））如图6所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片．轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动．离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动．下列说法正确的是（　　）

A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量

B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身

C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高

D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量

6．（2009·宁夏、辽宁卷）带有活塞的汽缸

图7

内封闭一定量的理想气体．气体开始处于状态a，然后经过过程ab到达状态b或经过过程ac到达状态c，b、c状态温度相同，如图7所示．设气体在状态b和状态c的压强分别为pb和pc，在过程ab和ac中吸收的热量分别为Qab和Qac，则（　　）

A．pb>pc，Qab>QacB．pb>pc，Qab

C．pbQacD．pb

题

1

2

3

4

5

6

答案

7.（2009·江苏高考）

（1）若一气泡从湖底上升到湖面的过程中温度保持不变，则在此过程中关于气泡中的气体，下列说法正确的是__________．（填写选项前的字母）

A．气体分子间的作用力增大

B．气体分子的平均速率增大

C．气体分子的平均动能减小

D．气体组成的系统的熵增加

（2）若将气泡内的气体视为理想气体，气泡从湖底上升到湖面的过程中，对外界做了0.6J的功，则此过程中的气泡________（填“吸收”或“放出”）的热量是__________J．气泡到达湖面后，温度上升的过程中，又对外界做了0.1J的功，同时吸收了0.3J的热量，则此过程中，气泡内气体内能增加了________J.

8．（2010·山东卷）如图8所示，一太阳能空气集热器，底面及侧面为隔热材料，顶面为透明玻璃板，集热器容积为V0，开始时内部封闭气体的压强为p0，经过太阳曝晒，气体温度由T0＝300K升至T1＝350K.

图8

（1）求此时气体的压强．

（2）保持T1＝350K不变，缓慢抽出部分气体，使气体压强再变回到p0.求集热器内剩余气体的质量与原来总质量的比值．判断在抽气过程中剩余气体是吸热还是放热，并简述原因．

【能力提升】

图9

9．（山东高考）某压力锅的结构如图9所示．盖好密封锅盖，将压力阀套在出气孔上，给压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起．假定在压力阀被顶起时，停止加热．

（1）若此时锅内气体的体积为V，摩尔体积为V0，阿伏加德罗常数为NA，写出锅内气体分子数的估算表达式．

（2）假定在一次放气过程中，锅内气体对压力阀及外界做功1J，并向外界释放了2J的热量，锅内原有气体的内能如何变化？

变化了多少？

（3）已知大气压强p随海拔高度H的变化满足p＝p0（1－αH），其中常数α>0.结合气体定律定性分析在不同的海拔高度使用压力锅，当压力阀被顶起时锅内气体的温度有何不同．

10．如图10所示，两个可导热的汽缸竖直放置，它们的底部由一细管连通（忽略细管的容积）．两汽缸各有一活塞，质量分别为m1和m2，活塞与汽缸壁无摩擦．活塞的下方为理想气体，上方为真空．当气体处于平衡状态时，两活塞位于同一高度h.（已知m1＝3m，m2＝2m）

图10

（1）在两活塞上同时各放一质量为m的物块，求气体再次达到平衡后两活塞的高度差（假设环境的温度始终保持为T0）．

（2）在达到上一问的终态后，环境温度由T0缓慢上升到T，试问在这个过